DE3736341A1 - Method for manufacturing strip-shaped silicon crystals by horizontal pulling from the melt - Google Patents

Method for manufacturing strip-shaped silicon crystals by horizontal pulling from the melt

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL-GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/007Pulling on a substrate

Abstract

In order to manufacture thin silicon strips (thickness less than 300 mu m) having a planar surface by horizontal pulling (v) from the silicon melt (2), a net-like support body (1) is used for the coating, which body consists of a material which is resistant to the silicon melt (2) and has a higher emission coefficient. The internal mesh size k of the support body (preferably consisting of a carbon fibre net) is, given the layer thickness d of less than 300 mu m of the ribbon (7) to be pulled, less than 2.0 mm at a temperature gradient GL of less than 25 K/cm prevailing in the silicon melt (2). According to a specific embodiment, with a layer thickness of 300 mu m of the silicon strip (7) and a temperature gradient of 15 K/cm in the silicon melt (2), a carbon fibre net (1) having an internal mesh size k of 1.3 mm is used, and a waviness of less than 10 mu m is obtained. The method serves for continuous manufacture of silicon strips (7) for solar cells. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von bandför migen Siliziumkristallen durch horizontales Ziehen aus einer Si liziumschmelze, bei dem als Trägerkörper und Kristallisations keimbildner ein gegenüber der Siliziumschmelze resistenter und einen höheren Emissionsfaktor aufweisender Trägerkörper aus einem netzartigen Fadengewebe verwendet wird, welches tangie rend über die in einer Wanne befindliche Siliziumschmelze in horizontaler Richtung v gezogen und mit Silizium beschichtet wird. The invention relates to a method for producing bandför-shaped silicon crystals by horizontally drawing from a Si liziumschmelze, in which is used as carrier body and crystallisation nucleating agent a with respect to the silicon melt resistant and a higher emission factor having holding carrier body consists of a net-like yarn fabric which Tangie rend on the in a tub silicon melt located v is pulled in the horizontal direction and coated with silicon.

Dieser, als horizontales S-Web-Verfahren (= horizontal suppor ted web = HSW-Technik) bekannte Ziehprozeß für Siliziumbänder arbeitet wegen seiner hohen Ziehgeschwindigkeit (ungefähr 1 m/ min) und seines geringen Materialverbrauchs (Dicke der Bänder kleiner 300 µm) sehr kostengünstig und ist ausführlich beschrie ben in einem Bericht von G. Hoyler im Journal of Crystal Growth 79 (1986), Seiten 572 bis 577, sowie in der europäischen Patent anmeldung 01 70 119. This, as a horizontal S-Web method (= horizontal suppor ted web = HSW) technique known drawing process for silicon ribbons works because of its high drawing rate (about 1 m / min) and its low material consumption (thickness of the bands of less than 300 microns) very cost- and is detailed in a report by beschrie ben G. Hoyler in the Journal of Crystal Growth 79 (1986), pages 572-577, as well as registration in European Patent 01 70 119th

Aus Fig. 1 soll nachfolgend das Prinzip dieser Technik kurz er läutart werden: From Fig. 1, the principle of this technique is to short it will läutart below:
Ein in Ziehrichtung v laufendes Karbonfasernetz 1 wird tangen tial über die Oberfläche einer Siliziumschmelze 2 gezogen, die sich in einer Quarzwanne 3 befindet. A v running in the drawing direction carbon fiber web 1 is pulled tangen tial over the surface of a silicon melt 2, which is located in a quartz boat. 3 Diese Wanne 3 ist so dimen sioniert, daß ihre Länge mindestens so groß ist wie die Kontakt länge L = v Z × t (v Z = Ziehgeschwindigkeit, t = Verweildauer). This trough 3 is so dimen sioned that its length is at least as large as the contact length L = v × t Z (Z = v pull rate, t = residence time). Die Siliziumschmelze 2 wird durch im Bodenbereich der Wanne 3 befindliche Heizer 4 auf Schmelztemperatur gehalten, wobei Strah lungsverluste (siehe Pfeil 5 ) durch gegebenenfalls Abdeckungen und Reflektoren 6 ausgeglichen werden. The silicon melt 2 is held by located in the base region of the tub 3 heater 4 to melting temperature, said radia tion losses are compensated for by optionally covers and reflectors 6 (see arrow 5). Das fertige Siliziumband ist mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet. The finished silicon ribbon is denoted with the reference numeral. 7 Die Markierungen 8 zei gen den Beginn der Kristallisation in den Maschen 9 mit der lichten Weite k des Netzes 1 an. The markings 8 gen zei the beginning of crystallization in the mesh 9 with a clearance k of the network 1 at. Die Netzfäden wirken infolge ihres hohen Emissionskoeffizienten als Wärmesenke und inizieren bei geeignetem Temperaturgradienten G L in der Schmelze die Kri stallisation. The net threads act as a result of their high emission coefficient as a heat sink and inizieren stallisation the Kri at a suitable temperature gradient G L in the melt. Die Erstarrung beginnt an Stellen der Schmelze, die unmittelbar von Netzfäden berührt werden und breitet sich von dort horizontal und vertikal aus. The solidification starts at locations of the melt which are contacted directly by the net threads and spreads horizontally and vertically from there. Mit fortschreitender ho rizontaler Ausbreitung kommt als weitere Wärmesenke die kri stallisierte Siliziumoberfläche hinzu, deren Emission ebenfalls höher als die der Schmelze ist. With progressive ho rizontaler spread the kri stallisierte silicon surface is added as an additional heat sink whose emission is also higher than that of the melt. Die Zusammensetzung der Erstar rungsgeschwindigkeit aus einer horizontalen und einer vertika len Komponente führt dazu, daß das beschichtete Siliziumband auf der dem Karbonfadennetz abgewandten Seite eine Welligkeit W (sogenannte Muldenstruktur) aufweist, deren Periodizität der des Netzmusters entspricht. The composition of the Erstar approach speed of a horizontal component and a Vertika len causes the coated silicon ribbon on the side opposite the carbon filament network side W (so-called well structure) having a ripple, the frequency of the power supply pattern corresponds. Die an der Netzunterseite entstehende Siliziumschicht wächst nicht gleichmäßig in die Tiefe, sondern wird unter den Fäden dicker als an den von Fäden nicht abgedeck ten Stellen der Schmelzoberfläche. The resulting at the web base silicon layer does not grow evenly in depth, but is thicker than at the non abgedeck th of threads points of the enamel surface under the strings. Es wurde festgestellt, daß die Welligkeit oder Muldenstruktur um so ausgeprägter ist, je dünner die auf den Trägerkörper 1 aufgeschmolzene und kristal lisierte Siliziumschicht ( 7 ) ist. It has been found that the ripple or well structure is more pronounced, the thinner the melted onto the carrier body 1 and Cristal ized silicon layer (7).

Die Welligkeit bzw. Muldenstruktur macht sich störend bemerkbar, wenn die Siliziumbänder 7 für Solarzellen weiterverarbeitet werden sollen, insbesondere wenn Kontakte aufgebracht werden müssen. The ripple or well structure is disturbingly noticeable when the silicon bands to be 7 further processed for solar cells, especially when contacts must be applied.

Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Siliziumband ziehen nach der sogenannten horizontalen Supported Web Technik anzugeben, welches dünne Siliziumbänder mit möglichst ebenen Oberflächen erzeugt. The object of the invention to provide a method for silicon ribbon move to the so-called horizontal Supported Web provide technology which produces thin silicon ribbons with flat surfaces as possible.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein Fadengewebe verwendet wird, dessen lichte Maschenweite k in Anpassung an die Schichtdicke d des zu ziehenden Siliziumbandes von maximal 300 µm bei einem in der Siliziumschmelze herrschenden Temperaturgradienten G L von klei ner 25 K/cm auf kleiner 2,0 mm eingestellt ist. This object is achieved in a method of the aforementioned type characterized in that a thread fabric is used, whose mesh width k in adaptation to the layer thickness d of the to be pulled silicon ribbon from a maximum of 300 microns at a pressure prevailing in the silicon melt temperature gradient G L of klei ner 25 is set to less than 2.0 mm K / cm. Vorzugsweise wird ein Fadengewebe aus Graphit- oder graphitierten Quarzglas fäden (bei der Beschreibung der Fig. 1 als Karbonfasernetz 1 bezeichnet) verwendet. Preferably, a thread fabric made of graphite or graphitized quartz glass filament used (in the description of FIG. 1, referred to as a carbon fiber network 1).

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un teransprüchen. Further embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims Un.

Folgende Überlegungen haben zu der Erfindung geführt: The following considerations have led to the invention:

Die Entstehung und Höhe der Welligkeit W , wobei diese als Diffe renz zwischen der jeweils dicksten und dünnsten Stelle des Sili ziumbandes innerhalb einer Maschenweite k definiert wird, ist abhängig vom Netzmuster, dem Temperaturgradienten in der Schmel ze und der Siliziumschichtdicke. The formation and height of the waviness W, said Renz as Diffe is defined k between the thickest and thinnest part of each Sili ziumbandes within a mesh size is dependent on the mesh pattern, the temperature gradient in the Schmel ze and the silicon layer thickness. Der Einfluß der Fadenstärke ist gering. The influence of the thread count is low.

Die Welligkeit nimmt mit wachsender Schichtdicke ab (weil dicke Schichten langsamer als dünne Schichten wachsen). The ripple increases with increasing layer thickness (because thick layers grow more slowly than thin layers). Schichtdicken größer als 300 µm sind aber für kostengünstige Solarzellen unin teressant. However, layer thicknesses are larger than 300 microns unin teresting for low cost solar cells.

Der Temperaturgradient G L in der Schmelze ist von wesentlichem Einfluß auf die Schnelligkeit des Wachstums. The temperature gradient G L in the melt is of significant influence on the rapidity of growth. Je größer der Gra dient, desto mehr Wärme wird dem zu beschichtenden Band zuge führt. The larger the Gra is used, the more heat is supplied to the leads to be coated tape supplied. Entsprechend verlangsamt sich das Wachstum. Accordingly, the growth slowed down. Um ein kon tinuierliches kostengünstiges Ziehen von Siliziumbändern zu ge währleisten, muß eine Ziehgeschwindigkeit von mindestens 1 m/min eingehalten werden. A kon tinuierliches inexpensive pulling silicon ribbons to ge währleisten, a drawing speed of at least 1 m / min must be respected. Das bedeutet, daß der Temperaturgradient möglichst klein sein muß. This means that the temperature gradient must be as small as possible.

Die Abhängigkeit der Welligkeit W von der mittleren Dicke d des Siliziumbandes ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. The dependence of the ripple W of the mean thickness d of the silicon ribbon is shown schematically in Fig. 2. Kenn zeichnet man das Karbonfasernetz durch die lichte Maschenweite k , so zeigt die Fig. 2 W : = W ( d ) mit k als Parameter. Characteristic to draw the carbon fiber net by the mesh size k, then W 2 is shown in FIG. = W (d) with k as a parameter. Wie aus dem Kurvenverlauf zu entnehmen ist, durchläuft W sowohl bei k =1 mm, als auch k =2 mm ein Maximum und fällt dann zu größe ren Dicken d hin ab. As can be seen from the curve passes through both W k = 1 mm, and k = 2 mm a maximum and then falls to the size ren thicknesses d out from. Die Maxima verschieben sich mit abnehmen der Maschenweite k zu kleineren Dicken d und Welligkeiten. The maxima shift to decrease the mesh size k to smaller thicknesses d and undulation.

Fig. 3 zeigt die Welligkeit W als Funktion der Maschenweite k für eine mittlere Siliziumbanddicke d =300 µm und einem Tem peraturgradienten in der Schmelze von G L =15 K/cm. Fig. 3 shows the ripple W as a function of mesh size k for an average silicon ribbon thickness d = 300 microns and a Tem peraturgradienten in the melt of G L = 15 K / cm. Aus dieser Geraden ist ersichtlich, daß die Welligkeit mit abnehmender Ma schenweite k zurückgeht und einen Wert von kleiner 10 µm bei einer lichten Maschenweite von kleiner 1,3 mm erreicht. From this line it can be seen that the ripple mesh size k decreases with decreasing Ma and reaches a value of less than 10 microns with a mesh aperture of less than 1.3 mm. Wie aus den Meßpunkten 1 , 2 , 3 erkenntlich ist, wurden drei Netzmuster geprüft: As will be appreciated from the measuring points 1, 2, 3, three power samples were tested:

Netzmuster 1 k = 1,7 mm Mesh Pattern 1 k = 1.7 mm
Netzmuster 2 k = 2,28 mm Mesh Pattern 2 k = 2.28 mm
Netzmuster 3 k = 4,2 mm Mesh Pattern 3 k = 4.2 mm

Neben der lichten Maschenweite k spielt die Ebenheit des verwen deten Fadengewebes (Karbonfasernetz) eine erhebliche Rolle. In addition to the mesh size k is the flatness of the yarn used does fabric (carbon fiber network) plays a significant role. Eine Dreherbindung, die in Kettfadenrichtung (Längsrichtung) zur Gewebestabilisierung verwendet werden kann, hat Verdickun gen an den Kreuzungspunkten des Gewebes zur Folge; A leno weave, which may be used in the warp (longitudinal) direction for tissue stabilization has Verdickun gen at the crossing points of the fabric result; dies führt zu einer Erhöhung der Welligkeit. this leads to an increase in the ripple. Gemäß einem Ausführungsbei spiel nach der Lehre der Erfindung wird deshalb ein Fadengewe be ohne Dreherbindung, also mit einfacher Leinenbindung der Kett- und Schußfäden (= Längs- und Querfäden) verwendet; According to a Ausführungsbei game according to the teaching of the invention, therefore, be without leno binding, thus used with a simple plain weave of warp and weft threads (= longitudinal and transverse threads), a thread-turn; die zur Netzstabilisierung erforderliche Dreherbindung wird auf die Netzränder beschränkt, an denen beim Bandziehen kein Kontakt mit der Siliziumschmelze besteht. the force required to stabilize the grid leno weave is confined to the network edges where there is no contact with the silicon melt during the pulling band.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen von bandförmigen Siliziumkristallen ( 7 ) durch horizontales Ziehen aus einer Siliziumschmelze ( 2 ), bei dem als Trägerkörper ( 1 ) und Kristallisationskeimbildner ( 8 ) ein gegenüber der Siliziumschmelze ( 2 ) resistenter und einen höheren Emissionsfaktor aufweisender Trägerkörper ( 1 ) aus einem netzartigen Fadengewebe verwendet wird, welches tangie rend über die in einer Wanne ( 3 ) befindliche Siliziumschmelze ( 2 ) in horizontaler Richtung ( v ) gezogen und mit Silizium be schichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fadengewebe ( 1 ) verwendet wird, dessen lichte Maschen weite k in Anpassung an die Schichtdicke d des zu ziehenden Si liziumbandes ( 7 ) von maximal 300 µm bei einem in der Silizium schmelze ( 2 ) herrschenden Temperaturgradienten G L von kleiner 25 K/cm auf kleiner 2,0 mm eingestellt ist. 1. A method for producing strip-shaped silicon crystals (7) by horizontal pulling from a silicon melt (2), wherein as a carrier body (1) and nucleating agent (8) (2) resistant to the silicon melt and a higher emission factor having holding carrier body (1) is used in a net-like yarn fabric which Tangie rend about located in a tub (3) silicon melt (2) in the horizontal direction (v) drawn with silicon be coated, is characterized in that a warp web (1) is used whose mesh size k in adaptation to the layer thickness d of the liziumbandes to be drawn Si (7) of a maximum of 300 microns at a in the silicon melt (2) prevailing temperature gradient G L of less than 25 K / cm to less than 2.0 is set mm.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Fadengewebe ( 1 ) aus Graphit- oder graphitierten Quarzglasfäden verwendet wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that a warp web (1) is made of graphite or graphitized quartz glass filaments used.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Fadengewebe ( 1 ) mit einer lichten Maschenweite k von 1,7 mm verwendet wird und in der Siliziumschmelze ( 2 ) ein Temperaturgradient G L von 15 K/cm auf rechterhalten wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized denotes Ge, that a thread fabric (1) with an aperture k of 1.7 mm is used, and in the silicon melt (2), a temperature gradient G L of 15 K / cm quite obtained ,
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Fadengewebe ( 1 ) mit einer lichten Maschenweite k von 1,3 mm verwendet wird und in der Si liziumschmelze ( 2 ) ein Temperaturgradient G L von 15 K/cm auf rechterhalten wird. 4. The method according to claim 1 and 2, characterized in that a thread fabric (1) with an aperture k of 1.3 mm is used and liziumschmelze in the Si (2), a temperature gradient G L of 15 K / cm to get right becomes.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fadengewebe ( 1 ) verwen det wird, dessen Längs- (Kett) und Querfäden (Schußfäden) an ihren Kreuzungspunkten in einfacher Leinenbindung zueinander an geordnet sind. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a thread fabric (1) is det USAGE, whose lengthwise (warp) and transverse threads (weft threads) are ordered at their crossover points in a simple plain weave one another on.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fadengewebe ( 1 ) ver wendet wird, dessen äußere, von der Schmelze ( 2 ) nicht benetzte Ränder zur Stabilisierung in Längsrichtung (Kettfadenrichtung) an den Kreuzungspunkten von Längs- und Querfäden eine in Längs fadenrichtung verlaufende Dreherbindung aufweisen. 6. A method according to any one of claims 1 to 5, characterized is that a thread fabric (1) applies ver whose outer, of the melt (2) is not wetted edges for stabilization in the longitudinal direction (warp direction) at the crossing points of longitudinal and the transverse threads have a thread direction extending in the longitudinal leno weave.
7. Verwendung der nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellten bandförmigen Siliziumkristalle ( 7 ) für Halb leiterbauelemente, insbesondere Solarzellen. 7. The use of semiconductor components in accordance with the method of any of claims 1 to 6 prepared tape-shaped silicon crystals (7) for the half, in particular solar cells.
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